Phân tích thuỷ động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI NƢỚC
VÀ PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................... 17
1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV ...... 17
1.2. ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ............................................ 23
1.2.1. Mô hình yêu cầu......................................................................................... 23
1.2.2. Mô hình động lực học điều khiển .............................................................. 25
1.2.2.1. Hệ tọa độ sử dụng ............................................................................... 25
1.2.2.2. Phƣơng trình động lực học ................................................................. 26
1.2.3. Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV ......................................... 27
1.2.3.1. Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV .......................................... 27
1.2.3.2. Phân phối điều khiển .......................................................................... 30
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP
DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ...................................................................... 32
1.3.1. AUV với hệ thống động lực lai .................................................................. 32
1.3.1.1. Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp ........................................ 32
1.3.1.2. AUV với HDS trong điều khiển công nghiệp .................................... 33
1.3.2. Mô hình hóa ứng xử AUV - HDS .............................................................. 35
1.3.2.1. Automate lai ....................................................................................... 35
1.3.2.2. Grafcet ................................................................................................ 36
1.3.2.3. Mạng Petri .......................................................................................... 37
1.3.3. Công nghệ hƣớng đối tƣợng trong việc phát triển AUV - HDS ................ 38
1.3.3.1. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực ....................... 38
1.3.3.2. Phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng ................................................ 40
1.3.4. Một số phƣơng pháp mô phỏng và thực thi ............................................... 41

i


1.3.4.1. Modelica ............................................................................................. 41
1.3.4.2. MatLab & Simulink ............................................................................ 42
1.3.4.3. Mô hình khối chức năng ..................................................................... 43
Kết luận chƣơng ................................................................................................... 44
CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC
ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV ........................................................................................ 47
2.1. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƢƠNG TIỆN DƢỚI
NƢỚC ...................................................................................................................... 47
2.1.1. Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phƣơng tiện tự hành
dƣới nƣớc ............................................................................................................. 47
2.1.2. Tổng quan về CFD ..................................................................................... 48
2.1.2.1. Ƣu điểm của CFD ............................................................................... 48
2.1.2.2. Hạn chế của CFD ................................................................................ 49
2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH
HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV ................................................... 49
2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán ............................................................................ 49
2.2.2. Căn bản lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng trong công cụ hỗ trợ................ 51
2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV .... 53
2.3.1. Xây dựng mô hình hình học....................................................................... 54
2.3.2. Lƣới hóa mô hình ....................................................................................... 55
2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán .................................................................. 56
2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC . 57
2.4.1. Trƣờng phân bố áp suất dòng chảy bao tàu lặn ......................................... 57
2.4.2. Các thông số động lực chất lỏng tác dụng lên tàu lặn ............................... 59
2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV ................................................ 64
2.5.1. Sơ đồ khối chức năng................................................................................. 64
2.5.2. Giả thuyết thực thi Automate lai cho AUV – HDS.................................... 65

2.5.3. Chi tiết cấu trúc Automate lai của AUV – HDS ........................................ 66
2.5.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển .................................................................. 71
Kết luận chƣơng ................................................................................................... 73

ii


CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU
KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG ....................... 74
3.1. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG74
3.1.1. Tính trừu tƣợng hoá ................................................................................... 74
3.1.2. Tính đóng gói ............................................................................................. 75
3.1.3. Tính mô đun hoá ........................................................................................ 76
3.1.4. Tính thừa kế ............................................................................................... 76
3.1.5. Lựa chọn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng .................................................. 76
3.2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV –
HDS VỚI REALTIME UML ................................................................................... 78
3.2.1. Mô hình phân tích của AUV – HDS công nghiệp ..................................... 78
3.2.1.1. Nhận biết các trƣờng hợp sử dụng...................................................... 78
3.2.1.2. Xác định máy trạng thái toàn cục ....................................................... 80
3.2.1.3. Xác định sơ đồ khối chức năng mở rộng ............................................ 80
3.2.1.4. Xác định Automate lai ........................................................................ 81
3.2.1.5. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS .............. 82
3.2.2. Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp ......................................... 84
3.2.2.1. Cấu trúc kết nối toàn cục .................................................................... 85
3.2.2.2. Kiểm tra mô hình thiết kế ................................................................... 88
3.2.3. Mô hình thực thi của AUV - HDS công nghiệp ........................................ 88
3.2.3.1. Mô hình mô phỏng hƣớng đối tƣợng.................................................. 88
3.2.3.2. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp cho mô hình triển khai ................... 92
Kết luận chƣơng ................................................................................................... 94

CHƢƠNG 4. THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............. 96
4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƢỜNG HỢP THỬ NGHIỆM ................ 96
4.1.1. Cài đặt hệ thống ......................................................................................... 96
4.1.2. Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu năng điều động tàu................................ 97
4.2. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỬ NGHIỆM VỀ TÍNH ĂN LÁI
CỦA TÀU ................................................................................................................ 98
4.2.1. Tính quay trở .............................................................................................. 98
4.2.2. Tính ổn định hƣớng và bám quỹ đạo ....................................................... 100

iii


Kết luận chƣơng ................................................................................................. 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105
1. Kết luận .......................................................................................................... 105
2. Kiến nghị ........................................................................................................ 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 112
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 113
Phụ lục 1. Kết quả tính toán các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô
hình ......................................................................................................................... 113
Phụ lục 2. Mô hình phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng với RealTime UML cho
hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình ...................................................................... 115
2.1. Mô hình phân tích của hệ thống điều khiển tàu lặn .................................... 115
2.1.1. Mô hình trƣờng hợp sử dụng ............................................................... 115
2.1.2. Các ứng xử của các trƣờng hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển
tàu lặn 116
2.1.3. Máy trạng thái toàn cục ....................................................................... 117
2.2. Mô hình thiết kế của hệ thống điều khiển tàu lặn ....................................... 118
2.2.1. Gói của phần liên tục ........................................................................... 120

2.2.2. Gói IGCB ............................................................................................. 122
2.2.3. Gói của phần rời rạc ............................................................................ 124
2.2.4. Gói giao diện bên trong ....................................................................... 125
2.2.5. Gói giao diện bên ngoài ....................................................................... 126
2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 127
2.4. Mô hình triển khai hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 131
Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo và thử nghiệm tàu lặn mô hình ...................... 134

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Ý nghĩa

AC

Active Class

Lớp chủ động

AUV

Autonomous Underwater
Vehicles

Phƣơng tiện tự hành dƣới
nƣớc

B-Frame

Body-Frame

Hệ tọa độ gắn với vật thể

BS

Back-Stepping

Phƣơng thức điều khiển cấp
ngƣợc

CFD

Computational Fluid
Dynamics

Động lực học tính toán dòng

DAE

Differential Algebraic
Equation

Phƣơng trình đại số vi phân

FB

Function Block

Khối chức năng trong IEC

GPS

Global Positioning Systems

Hệ thống định vị toàn cầu

HDS

Hybrid Dynamic System

Hệ thống động lực lai

IDE

Integrated Development
Environment

Môi trƣờng phát triển tích
hợp

IEC

International Electrotechnical Commission

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

IGCB

Instantaneous Global
Continuous Behavior

Ứng xử liên tục toàn cục tức
thời

IMO

International Maritime
Organization

Tổ chức hàng hải quốc tế

INCOSE

International Council on
Systems Engineering

Hội đồng quốc tế về công
nghệ hệ thống

INS

Inertial Navigation Systems

Hệ thống dẫn đƣờng quán

tính

v


LOS

Line-Of-Sight

Giải thuật bám đƣờng

MBSE

Model-Based Systems
Engineering

Công nghệ hệ thống hƣớng
mô hình

MVC

Model-View-Controller
pattern

Mẫu mô hình-khung nhìnđiều khiển

NEDFrame

North-East-Down Frame

Hệ tọa độ gắn với trái đất

OOPRES

Object-Oriented
Programming for RealTime
Embedded Systems

Lập trình hƣớng đối tƣợng
cho hệ thống nhúng thời gian
thực

OMG

Object Management Group

Tổ chức quản trị hƣớng đối
tƣợng quốc tế

PC

Passive Class

Lớp bị động

PID

Proportional – Integral –
Derivative regulator

Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ
lệ-tích phân-vi phân

PLC

Programmable Logic
Controller

Bộ điều khiển logic lập trình
đƣợc

RealTime
UML

RealTime Unified Modeling
Language

Ngôn ngữ mô hình hóa hợp
nhất trong thời gian thực

ROPES

Rapid Object-Oriented
Process for Embedded
Systems

Qui trình hƣớng đối tƣợng
cho hệ thống nhúng

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển trƣợt

SNAME

Society of Naval Architects
and Marine Engineers

Hiệp hội kiến trúc sƣ hải quân
& kỹ sƣ hàng hải quốc tế

UML

Unified Modeling Language

Ngôn ngữ mô hình hoá hợp
nhất

WP

Way-Point

Điểm lộ trình

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 1.1. Sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới

17

Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới

20

Bảng 1.3. Các ký hiệu SNAME cho phƣơng tiện dƣới nƣớc

26

Bảng 2.1. Phân bố áp suất động của dòng chảy bao tàu

58

Bảng 2.2. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ

59

Bảng 2.3. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo

62

Bảng 2.4. Các thông số cụ thể của các dòng liên tục toàn cục

69

Bảng 4.1. Đƣờng kính xác lập quay vòng

100

Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu

102

Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình

113

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đƣờng của AUV

24

Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV

25

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

28

Hình 1.4. Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống
động lực lai

33

Hình 1.5. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp

34

Hình 1.6. Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức

39

Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499

43

Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent

50

Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent)

53

Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình

54

Hình 2.4. Mô hình khảo sát

55

Hình 2.5. Mô hình đã chia lƣới

55

Hình 2.6. Lƣới biên dạng tàu lặn

56

Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng

57

Hình 2.8. Biểu đồ lực cản tác dụng lên tàu lặn

60

Hình 2.9. Biểu đồ lực nâng tác dụng lên tàu lặn

61

Hình 2.10. Biểu đồ mô men quay tác dụng lên tàu lặn

61

Hình 2.11. Biểu đồ lực dọc tàu

63

Hình 2.12. Biểu đồ lực ngang tác dụng lên tàu

63

Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS

65

Hình 2.14a. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong
đƣợc sinh ra là Eii: trƣờng hợp lái Phải – Trái
Hình 2.14b. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong

viii

70


đƣợc sinh ra là Eii: trƣờng hợp lái Lặn – Nổi

70

Hình 2.15. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV - HDS

72

Hình 3.1. Tổng quan các đặc trƣng trong công nghệ hƣớng đối tƣợng

75

Hình 3.2. Chu trình vòng đời lặp của AUV - HDS

78

Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS
công nghiệp

83

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc kết nối các gói chính của AUV - HDS công

86

nghiệp
Hình 3.5. Sơ đồ lớp chi tiết về các gói chính, cổng và giao thức của

87

AUV
Hình 3.6. Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình
OpenModelica

91

Hình 3.7. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV – HDS tƣơng
ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chƣơng 2

91

Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng

96

Hình 4.2. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng

96

thể
Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu

97

Hình 4.4. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 10o với vận tốc 0.5m/s

98

Hình 4.5. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 20o với vận tốc 1.0m/s

99

Hình 4.6. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 30o với vận tốc 1.5m/s

99

Hình 4.7. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 10° với vận tốc
di chuyển trung bình 0.5m/s

101

Hình 4.8. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 20° với vận tốc
di chuyển trung bình 1.0m/s

101

ix


Hình 4.9. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 30° với vận tốc
di chuyển trung bình 1.5m/s

102

Hình 4.10. Thử nghiệm bám quỹ đạo trên mặt phẳng nằm ngang của
tàu lặn

103

Hình A.1. Mô hình trƣờng hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn

115

Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trƣờng hợp sử dụng “Drive”

116

Hình A.2b. Máy trạng thái của trƣờng hợp sử dụng “Drive”

117

Hình A.3. Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển tàu lặn

117

Hình A.4. Sơ đồ kết nối giữa các gói cơ bản của AUV - HDS

118

Hình A.5. Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong AUV - HDS

118

Hình A.6. Sơ đồ diễn tiến toàn cục của AUV - HDS – trong trƣờng
hợp: sự kiện bên ngoài đƣợc xử lý; sự kiện bên trong đƣợc sinh ra

119

Hình A.7. Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục

120

Hình A.8. Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của AUV - HDS

121

Hình A.9. Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục

122

Hình A.10. Sơ đồ lớp của gói IGCB

123

Hình A.11. Máy trạng thái của gói IGCB

123

Hình A.12. Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc

124

Hình A.13. Máy trạng thái của gói phần rời rạc

124

Hình A.14a. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong

125

Hình A.14b. Máy trạng thái của gói giao diện bên trong

125

Hình A.15. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của AUV - HDS

126

Hình A.16. Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài

126

Hình A.17. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,0m/s

Hình A.18. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng

x

127


ứng với hƣớng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,5m/s

128

Hình A.19. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 0,5m/s

128

Hình A.20. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,0m/s

129

Hình A.21. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,5m/s

129

Hình A.22. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 0,5m/s

130

Hình A.23. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,0m/s

130

Hình A.24. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng
ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,5m/s

131

Hình A.25. Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo các giao thức kết

132

nối
Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô

132

hình
Hình A.27. Kiểm tra mã chƣơng trình chính của bộ điều khiển PID
đƣợc biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560

xi

133


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV)[7] đang ngày càng đƣợc sử dụng bởi
các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm.
Điều này có đƣợc là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với
phƣơng tiện có ngƣời lái[58],[67]. AUV không yêu cầu điều hành của con ngƣời
và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trƣờng dƣới
nƣớc. AUV hiệu quả hơn so với phƣơng tiện có ngƣời lái cả về thời gian và tài
chính do phƣơng tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dƣới
nƣớc. Điều này cũng dẫn đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì thƣờng xuyên cần
thiết sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phƣơng tiện hoạt động.Với các đặc trƣng
nổi bật nhƣ trên, các loại AUV đã đƣợc sử dụng thành công và hiệu quả trong
ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự[7],[19].
Ngày nay, cùng với sự phát triển chung của đất nƣớc, ngành kinh tế biển
ngày một đóng vai trò quan trọng.Việc nghiên cứu về đại dƣơng cũng rất cần các
phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội
trong dân sự cũng nhƣ các trang thiết bị hải quân[56]; ví dụ: tìm hiểu các nguồn
sinh vật học của đại dƣơng, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự
hành dƣới nƣớc.Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu
thủy và kỹ thuật dƣới nƣớc đang đƣợc phát triển rất nhanh tại nƣớc ta. Nhiều nhà
máy và xí nghiệp chế tạo tàu thủy đã phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài nhiều thiết bị
để chế tạo những tàu lớn và hiện đại; đặc biệt là phải nhập khẩu những thiết bị điều
khiển, ví dụ: hệ thống lái tàu thủy tự động có điều khiển theo chƣơng trình, hệ
thống điều khiển từ xa cho buồng máy. Nhƣ thế, chi phí để hoàn thành một phƣơng
tiện dƣới nƣớc sẽ rất cao. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu tác động của môi trƣờng
biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh rất cần thiết đối với nƣớc ta ví dụ nhƣ
12


là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dƣới biển, vận tải biển
bằng tàu thủy; cũng nhƣ việc phát triển các trang thiết bị cho hải quân. Các hoạt

động trên đòi hỏi phải có các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc thì mới đáp ứng đƣợc
mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phƣơng tiện này trong nƣớc sẽ tăng
đƣợc tính chủ động trong sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập khẩu từ nƣớc ngoài
và hạn chế đƣợc việc lệ thuộc vào bí mật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực quân
sự. Đã có một số trƣờng đại học và cao đẳng trong nƣớc nghiên cứu và chế tạo mô
hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên nếu các thiết bị này đƣợc sản xuất công
nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều
khiểncần phải đƣợc xem xét đến. Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều
khiển đã phát triển đƣợc áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng,
nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất[1]. Ở nƣớc ta, việc xem xét sử
dụng các chuẩn dùng để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển, tái sử dụng và tùy
biến các mô đun điều khiển đã phát triển vẫn còn hạn chế.
Trên thế giới có nhiều nƣớc đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các
phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc với công nghệ điều khiển tích hợp cao nhƣ là Na
Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phƣơng tiện này đƣợc sử dụng trong mục đích dân sự,
nhƣ là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dƣới biển, do nguồn tài nguyên
trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con ngƣời
ngày càng tăng cao. Các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc cũng đƣợc sử dụng cho
mục đích quân sự riêng cho từng quốc gia nhằm bảo vệ toàn vẹn chủ quyền lãnh
thổ của quốc gia đó, đặc biệt là các vùng biển đảo, cũng nhƣ là mục đích quân sự
chung nhƣ là chống khủng bố và hải tặc quốc tế.
2. Mục đích
AUV hoạt động trong môi trƣờng nƣớc nên việc tính toán thủy động lực học
rất quan trọng. Thông qua tính toán mô phỏng số cho mô hình tàu có thể biết đƣợc
13


lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của
môi trƣờng. Từ đó có thể đánh giá hoạt động của tàu, hiệu chỉnh thiết kế, tính toán
các thiết bị động lực và nghiên cứu hoạt động tàu trong các chế độ và môi trƣờng

làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động đƣợc một cách tự
hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính[27], [28]: Hệ thống dẫn
đƣờng nhằm đƣa ra quỹ đạo cho phƣơng tiện chuyển động bám theo; hệ thống định
vị để xác định các trạng thái hiện hành của phƣơng tiện; hệ thống điều khiển nhằm
tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tƣơng ứng với các chế độ
hoạt động khác nhau.
Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải đƣợc phân tích và thiết kế
không tách rời khỏi mô hình động lực học cho các chế độ hoạt động khác nhau. Hệ
thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành có xét tới các mô hình với dữ kiện rời
rạc và mô hình ứng xử liên tục, đƣợc gọi là hệ thống động lực lai
(HDS)[31],[32],[51]. Những mô hình ứng xử này đƣợc phân phối theo các chế độ
hoạt động khác nhau; chúng đƣợc kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân
với các trƣờng hợp sử dụng nhƣ là: ngƣời thiết kế, ngƣời tƣ vấn và ngƣời bảo trì.
Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó,
nó phải đƣợc kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm.Ngoài ra,
việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiểncông
nghiệp cần phải đƣợc xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển
AUV đã phát triển đƣợc áp dụng cho ứng dụng AUV mới là quan trọng, nhằm
giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp
[33], [37], [38], [64].
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Để đáp ứng đƣợc các yêu cầu hệ thống điều khiển cho AUV gắn liền với mô
hình thủy động lực học của nó, các phƣơng pháp phát triển hƣớng mô hình hóa
14


hƣớng đối tƣợng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp
ứng đƣợc các yêu cầu thay đổi của hệ thống điều khiển. Ngôn ngữ mô hình hóa
hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML)[16],[22], [44]đã đƣợc tổ chức quản
trị đối tƣợng quốc tế (OMG) [52]chuẩn hóa theo công nghệ hƣớng đối tƣợng để

ứng dụng trong việc phát triển công nghệ hệ thống nói chung (MBSE,
INCOSE)[37], [38]và các ứng dụng điều khiển hƣớng đối tƣợng theo thời gian
thực nói riêng[13],[39],[55], [59], [64]. RealTime UML kết hợp với qui trình phân
tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng (ROPES) [22], [24]cho phép tách các đặc tả chức
năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công
nghệ cụ thể. Do đó, các chức năng hệ thống có thể đƣợc sử dụng lại để thực thi
trên các nền công nghệ khác nhau. RealTime UML và ROPES cho phép hệ thống
thực hiện đƣợc ba mục tiêu cơ bản là khả năng di động, tính xuyên chức năng và
sự sử dụng lại thông qua việc tách rời các mối liên quan. Do vậy, cách tiếp cận
hƣớng đối tƣợng và ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực cho phép
đáp ứng các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ
thống điều khiển công nghiệp.
Theo cách tiếp hƣớng đối tƣợng đã có nhiều ứng dụng đƣợc phát triển thành
công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển
nhúng trong thời gian thực trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác
nhau[6], [13], [14], [24], [53], [64]. Ngoài ra, có những công cụ phần mềm mã
nguồn mở hoặc thƣơng mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống
một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phƣơng pháp luận này, nhƣ:
OpenModelica[54], MatLab-Simulink[49], IBM Rational Rose RealTime, IBM
Rational Rhapsody vàIBM Bational Software Architect RealTime[35].
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, đề tài nghiên cứu của luận
án đã đƣợc lựa chọn là: “Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều
khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước”.
15


Ngoài ra, do giới hạn về tài chính nên để minh họa dễ dàng cách tiếp cận
hƣớng đối tƣợng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ
thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang.
4. Các điểm mới của luận án đạt đƣợc

- Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUVcỡ nhỏ
cụ thể (Tàu lặn không ngƣời lái tự hành cỡ nhỏ).
- Đƣa ra qui trình công nghệ hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực để phân
tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên
mặt ngangcho tàu lặn đã chọn.
- Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử
dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại AUV khác nhau.
5. Cấu trúc của luận án
Luận án đƣợc trình bày theo các nội dung chính sau:Chƣơng 1 trình bày
tổng quan về các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) và phƣơng pháp mô hình
hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển. Phân tích mô hình thủy động lực học
và cấu trúc điều khiển cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (tàu lặn không ngƣời
lái tự hành cỡ nhỏ) đƣợc thể hiện trong Chƣơng 2.Chƣơng 3 đƣa raquy trình phân
tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không ngƣời lài tự hành cỡ nhỏ đã
lựa chọn theo công nghệ hƣớng đối tƣợng.Chƣơng 4 trình bày các kết quả thử
nghiệm và đánh giá.Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo.

16


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI
NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV
Trên thế giới, phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) đã có bƣớc phát triển
vƣợt bậc trong các thập niên qua. Hiện tại, AUV/ASV đƣợc sử dụng cho một số
các ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, ví dụ: giám sát mục
tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu nạn trên biển[1],
[7], [21], [57]. Bảng 1.1 minh họa sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV
trên thế giới. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về AUV

thế giới cho thể tham khảo trong [12], [21].
Bảng 1.1. Sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới
STT

Mô tả chính / Hình ảnh

1

AUV: SPURVđƣợc phát triển bởi trƣờng Đại học Washington, Mỹ, 1957.
- Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ.
- Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyển đƣợc sử dụng để hỗ trợ nghiên
cứu hải dƣơng học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện
tàu ngầm.

2

AUV: Epaulard đƣợc chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dƣơng
(IFREMER), Pháp, 1980.
- Dài 4m và nặng 2,9 tấn.
17


- Lặn sâu tới 6.000m, đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đại đại dƣơng.

3

AUV: AUSS đƣợc chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại
dƣơng và không gian (SPAWAR), Mỹ, 1983.
- Hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m.
- Có thể chụp và truyền hình ảnhđáy của đại dƣơng thông qua một máy

truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bít/giây.
- Đƣợc trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trƣớc để
giúp xác định vị trí các đối tƣợng lạ trong đại dƣơng.

4

AUV: REMUS 6000 đƣợc chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime,
Nay Uy, 1997.
- Có thể lặn sâu tới 6.000m.
- Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dƣơng.
- Dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các
Sonar chức năng.

18


5

AUV: SEAOTTER MKII đƣợc chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik,
Đức, 2007.
- Chiều dài 3,65m, Trọng lƣợng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải
trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ.
- Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu
ngầm, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ.

6

AUV: Bluefin-9 đƣợc phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ, 2010.
- Trọng lƣợng 60,5kg, Kích thƣớc L x W = 1,65m x 0,24m,
Lặn sâu lớn nhất 200m, Tốc độ di chuyển 2m/s, Thời gian hoạt động một

lần12giờ.
- Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi
trƣờng, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và
giàn khoan.

19


Bảng 1.2 mô tả dƣ liệu về thống kê AUV đã phát triển đến năm 2009 và dự
báo thị trƣờng AUV trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019, đƣợc thực
hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lƣợc Douglas-Westwood[21].
Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới
Giai
đoạn

Số lƣợng
AUV

Lĩnh vực sử dụng

Căn cứ

trƣớc 2009

629

- Quân sự: 23%,
- Thăm dò: 41%,
- Nghiên cứu: 35%,
- Khác: 11%.

- Thực tế AUV đã phát triển.

2010 2019

1144

- Quân sự: 49%,
- Nghiên cứu: 31%,
- Dầu khí:8%,
- Thủy văn:7%,
- Cáp ngầm:5%.

- Nhu cầu năng lƣợng và khai thác
dầu khí trữ lƣợng dƣới lòng đại
dƣơng.
- Yêu cầu an ninh quốc phòng.
- Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển.

Ở trong nƣớc với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa
và tri thức, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có một vai trò quan trọng
trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nƣớc. Hệ thống điều
khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng
đƣợc nhiều doanh nghiệp sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị cạnh
tranh. Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các phƣơng tiện phục vụ cho việc
khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển và bảo vệ lãnh hải của đất nƣớc.
Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nƣớc
đang đầu tƣ phát triển.
Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dƣơng cũng rất cần các phƣơng tiện tự hành
dƣới nƣớc (AUV) nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự

cũng nhƣ các trang thiết bị hải quân trong quân sự ở nƣớc ta; ví dụ nhƣ là tìm hiểu
20


các nguồn sinh vật học của đại dƣơng, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị
quân sự tự hành dƣới nƣớc v.v... AUV có các đặc tính cơ bản về an toàn và chi phí
hiệu quả hơn khi so sánh với phƣơng tiện có ngƣời lái. AUV không yêu cầu điều
hành của con ngƣời và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong
môi trƣờng dƣới nƣớc, hiệu quả về cả thời gian và tài chính đƣợc do phƣơng tiện
nhỏ hơn nhiều, không chứa các hệ thống con khác nhau cần thiết để duy trì cuộc
sống trong khi dƣới nƣớc cũng nhƣ các cơ cấu truyền động nhỏ hơn so với một
phƣơng tiện có ngƣời lái. Điều này cũng dẫn đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì
thƣờng xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phƣơng tiện hoạt động.
Với các đặc trƣng nổi bật nhƣ trên, các loại AUV đã đƣợc sử dụng thành công và
hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự.
Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phƣơng tiện này trong nƣớc sẽ tăng
đƣợc tính chủ động trong sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập khẩu từ nƣớc ngoài
và hạn chế đƣợc việc lệ thuộc vào bí mật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực quân
sự. Đã có một số trƣờng đại học và cao đẳng trong nƣớc nghiên cứu và chế tạo mô
hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên vẫn phải có sự can thiệp trƣợc tiếp của
ngƣời điều hành[1].
Bên cạnh đó, vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển cho AUVgặp nhiều khó
khăn bởi vì nó phải đƣợc kết nối chặt chẽ với các mô hình động lực học. Trên thực
tế, có nhiều ứng dụng điều khiển AUV đã sử dụng kỹ thuật tính toán mềm để đƣa
ra giải pháp tối ƣu cho việc kiểm soát mô hình động lực học của các phƣơng tiện
này. Ví dụ, Titan và Collins [65]đã đề xuất một phƣơng pháp lập kế hoạch quỹ đạo
mong muốn cho AUVnhƣng phạm vi hoạt động bị hạn chế. Phƣơng pháp này sử
dụng đa thức dựa trên nội suy khối Hermite để ƣớc tính tiến trình thời gian trôi qua
tại các điểm lộ trình (WP) của quỹ đạo mong muốn khi thực thi tác vụ; thuật toán
dịch chuyển cũng đã đƣợc giới thiệu nhằm tìm kiếm giải pháp tƣơng ứng và tối ƣu

cho quỹ đạo hiện thời. Li và Lee[48]đã giới thiệu bộ điều khiển phi tuyến cho phép
21


AUV có thể kiểm soát đƣợc chiều sâu lặn dựa trên kỹ thuật điều khiển cấp ngƣợc
(BS). Một loại hệ thống điều khiển khác có sử dụng chế độ kiểm soát trƣợt (SMC)
[18]đã đƣợc áp dụng cho AUV và thể hiện đƣợc khả năng bám quỹ đạo chính xác
của bộ điều khiển phi tuyến trong giải tiến trình thực thi điều khiển hẹp. Son và
Kim[63]đã công bố một nghiên cứu về điều khiển chuyển động cho AUV từ quan
điểm mô hình lai có kết hợp giữa mô hình rời rạc và mô hình liên tục. Jouffroy và
Opderbecke[41]đã đƣa ra một mô hình điều khiển thích nghi có kết hợp với kỹ
thuật BS nhằm đƣa ra bộ điều khiển phi tuyến tƣơng đối hoàn thiện cho phép AUV
có khả năng bám theo quỹ đạo ít sai lệch nhất về vị trí và thời gian. Donget al.[20]
đã giới thiệu bộ điều chỉnh PID kết hợp với mạng nơ ron cho một AUV hình cầu
có tính đến các nhiễu phức tạp trong môi trƣờng dƣới nƣớc. Bộ điều khiển của
AUV nàycũng bao gồm nhận dạng và kiểm soát mạng lƣới nơ ron; các trọng số của
mạng nơ ron đƣợc thiết lập thông qua việc sử dụng phƣơng pháp bình phƣơng tối
thiểuDavidon có chống nhiễu mạnh và tốc độ hội tụ nhanh.
Tuy nhiên, các mô hình điều khiển trên đây đã đƣợc phát triển theo hƣớng
thủ tục; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc đƣợc tùy biến và tái sử dụng các
thành phần điều khiển đã đƣợc thiết kế để ứng dụng cho AUV khác nhau. Do đó,
các phƣơng thức điều khiển truyền thống trên đây cần đƣợc kết hợp với các ngôn
ngữ mô hình hóa, mô phỏng và thực thitheo hƣớng hệ thống[55]nhằm đƣa ra bản
phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể trực quan các tham số điều khiển
trong thời gian thực, tùy biến và tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các
AUV mới.Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, mục tiêu và giải pháp
nghiên cứu của luận án đã đƣợc đề xuất nhƣ sau: Nghiên cứu và phân tích thủy
động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (Tàu lặn không ngƣời lái tự
hành cỡ nhỏ); từ đó đƣa ra qui trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ
thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn thông

22


qua việc cụ thể hóa công nghệ hƣớng đối tƣợng; Thiết kế chi tiết của hệ thống điều
khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại
AUV khác nhau.
1.2.ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV
Trƣớc khi tìm hiểu về các luật điều khiển và các phƣơng pháp thực thi, mô
hình quản trị yêu cầu của các hệ thống con khác nhau trong AUV cần phải đƣợc
xem xét. Điều này sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển đƣợc thực thi phù
hợp với tính tự hành của AUV.
1.2.1. Mô hình yêu cầu
Các thành phần khác nhau trong kiến trúc điều khiển AUV là hệ thống dẫn
đƣờng, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển. Tất cả ba hệ thống này có nhiệm
vụ riêng của mình, nhƣng chúng cũng phải hoạt động kết hợp với nhau nhằm cho
AUV hoàn thành mục tiêu của nó. Hình 1.1 trình bày sơ đồ khối nhằm thể hiện
tƣơng tác giữa các hệ thống này[43].
Hệ thống dẫn đƣờng có trách nhiệm để tạo ra quỹ đạo mong muốn cho AUV
chuyển động theo. Nhiệm vụ này đƣợc hoàn thành bằng cách lấy các điểm đƣờng
mong muốn xác định trƣớc bao gồm ảnh hƣởng của nhiễu loạn môi trƣờng bên
ngoài, tạo ra điểm đƣờng đi tiếp theo lân cận. Thông tin về trạng thái hiện tại của
AUV cũng có thể đƣợc sử dụng để cung cấp một quỹ đạo thực tế cho AUV. Quỹ
đạo này sau đó hình thành nên trạng thái mong muốn của AUV, nhƣ là vị trí,
hƣớng đi, vận tốc và gia tốc.
Các hệ thống định vị đƣợc sử dụng để xác định trạng thái hiện tại của AUV.
Đối với các phƣơng tiện bay hoặc mặt đất, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là có
sẵn và thƣờng đƣợc sử dụng để cung cấp thông tin định vị chính xác liên tục cho
23

hệ thống định vị. Tuy nhiên, do truyền thông tín hiệu bị hạn chế thông qua nƣớc,
GPS phần lớn là không có sẵn cho các phƣơng tiện dƣới nƣớc. Nhƣ vậy, cần phải
kết hợp GPS với các thiết bị thủy âm để giải quyết các hạn chế về truyền thông tín
hiệu dƣới nƣớc. Ngoài ra, các loại bộ lọc Kalman, tích hợp GPS/INS cũng đƣợc sử
dụng nhằm có đƣợc một dự báo tốt nhất trạng thái hoạt động hiện tại và đƣa ra cơ
chế điều chỉnh cho hệ thống tổng thể. Nhìn chung, nhiệm vụ của hệ thống định vị
là để cung cấp một ƣớc tính tốt nhất của trạng thái hiện tại của AUV dựa trên các
thông tin từ cảm biến.

Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đƣờng của AUV
Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời
cho phép AUV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Điều này đạt đƣợc bằng cách
nhận trạng thái mong muốn của AUV từ hệ thống dẫn đƣờng và trạng thái hiện tại
từ hệ thống định vị. Hệ thống điều khiển sau đó tính toán và đƣa ra lực điều khiển
thông qua việc sử dụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên AUV nhằm giảm
thiểu sai số giữa trạng thái mong muốn và hiện tại. Cách này cho phép AUV di
chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn không rõ. Môi
trƣờng dƣới nƣớc rất phức tạp, nhƣ là sự xuất hiện của dòng hải lƣu, sóng và làm
cho sự điều khiển AUV trở nên rất khó khăn. Những nhiễu loạn này cần phải đƣợc
xem xét đến khi xây dựng mô hình động lực học điều khiển của AUV. Mặc dù, các
24


hệ thống nói trên có tác vụ riêng của nó, nhƣng chúng phải cũng hoạt động kết hợp
để đạt đƣợc đầy đủ tính tự hành của AUV.
1.2.2. Mô hình động lực học điều khiển
1.2.2.1. Hệ tọa độ sử dụng
+ Hệ tọa độ NED: Hình 1.2 biểu diễn hệ tọa độ không gian thƣờng đƣợc gắn
với trái đất, phổ biến nhất trong điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc là hệ
NED. Nhƣ tên cho thấy, ba thành phần trục của hệ tọa độ này có trục x chỉ hƣớng

tới phía bắc, trục y trỏ về phía đông trục z theo hƣớng đi xuống vuông góc với bề
mặt trái đất. Nói chung, các điểm dẫn đƣờng đƣợc định nghĩa với tham chiếu đến
một điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc tiến hành dẫn đƣờng
và định vị trọng hệ tọa độ này.

Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV[61]
+ Hệ tọa độ Bodylà hệ tọa độ tham chiếu chuyển động gắn với AUV (Hình
1.2). Do tính chất khác nhau mà tồn tại ở điểm đặc trƣng khác nhau trong AUV,
nhƣ trọng tâm và tâm nổi của nó. Nhƣ qui định chung, trục x của hệ này chỉ từ phía
sau theo trục dọc của AUV, trục y điểm từ cổng vào mạn và z từ trên xuống dƣới;
nó có phù hợp để biểu diễn vận tốc của AUV trong hệ tọa độ này.
25